지표수와 지하수를 연계한 장기 강우-유출 모형의 개발
Development of Long Term Rainfall-Runoff Model of Combined Surface and Ground Water
- 주제(키워드) 장기 강우 , 유출모형 , 지표수-지하수 , 갈수기 , SWAT-MODFLOW
- 주제(KDC) 537
- 주제(DDC) 627
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 유동훈
- 발행년도 2007
- 학위수여년월 2007. 2
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 건설교통공학과
- 본문언어 한국어
초록/요약
본 연구에서 개발한 지표수-지하수 연계모형은 갈수기와 홍수기에 모두 활용할 수 있으며, 장기적이고 연속적인 모의가 가능하다는 장점이 있다. 모형의 개발을 위하여 이용한 모형은 토양수분을 중심으로 다양한 토지이용에 대하여 적용할 수 있는 SWAT과 지하수 유동해석에 널리 이용되는 모형인 MODFLOW이다. SWAT과 MODFLOW의 결합은 두 모형간 직렬로 연결하는 방식을 취했으며, 지표하 토양통 상부는 SWAT, 포화대수층은 MODFLOW로 모의된다. 지표수와 지하수의 유동해석을 위한 대부분의 기존 모형들은 주로 지표수 또는 지하수 중의 어느 한쪽에 편중되어 개발되었으므로 다른 한쪽은 상대적으로 약점을 가지고 있다. 지표수와 지하수의 상호연계를 위해서는 지하수 함양량, 하천-대수층의 물교환 뿐만 아니라, 대수층에서의 양수 및 함양, 배수관에 의한 배출, 증발산 등 서로 연관된 물순환 성분간의 완전한 연결이 필요하다. SWAT과 MODFLOW를 결합한 SWAT-MODFLOW는 각 물순환 성분간의 유기적인 변수교환이 가능하여 모형에 수반되는 불확실성을 줄여주고, 지표수계와 지하수계의 개별적 연구에서 얻을 수 없는 통합적이고 종합적인 물관리 모형이라 할 수 있다. 근래에 개발되어 활발히 적용되고 있는 분포형 또는 준분포형 모형은 관측자료의 특성과 이용목적에 따라 다양한 시간간격으로 모의가 가능하다. SWAT의 경우도 임의 시간간격으로 측정된 강수자료를 이용하여 시간단위의 유출해석이 가능하도록 모형이 구성되어 있다. 그러나 단순히 지표수와 침투량의 분리에만 시간단위 자료가 이용되고, 특정시간에 지표수로 분할된 유출량은 그 시간에 전량 유출되는 문제점이 있다. 본 연구에서는 SWAT에 포함된 시간단위의 유출해석에 수반된 문제점을 해결하기 위하여 최근의 도달시간 산정식과 SCS의 삼각형 단위도를 유역유출 수문곡선으로 활용할 수 있도록 SWAT-MODFLOW의 적용범위를 확장하였다. SWAT-MODFLOW의 특성을 파악하기 위하여 경안수위관측소 상류유역에 대하여 격자크기, 중간유출량과 지하수 함양량 분리, 지표수와 침투량의 분리, 도달시간과 수문곡선, 하도추적, 지하수로부터의 증발산량 산정에 관련된 매개변수들의 민감도 분석을 수행하였다. 민감도 분석결과를 바탕으로 경안수위관측소와 충주댐 상류유역에 본 연구에서 개발된 SWAT-MODFLOW를 적용하여 실측치와 비교한 결과 상당히 양호한 모의결과를 얻을 수 있었다. 이로부터 일단위의 장기 유출뿐만 아니라, 시간간격의 연속적인 홍수추적에도 본 연구에서 개발한 SWAT-MODFLOW의 적용가능성이 충분함을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 개발한 SWAT-MODFLOW는 지표수 유출과 침투량을 제외한 침루, 중간유출, 지하수 함양, 지하수 유동, 지하수 유출 등은 모두 일단위로 모의되기 때문에 각 수문성분별 모의시간간격이 서로 상이하다. 또한 SWAT은 1개의 소유역내 1개의 주하천이 존재하고, 수문학적 하도추적기법만이 모형이 포함되어 있으므로 소유역내 다양한 하도유출특성의 모의와 하천-대수층간 물교환 측면에서 상당히 불리할 수 있다. 이러한 모형의 구조적 또는 각 수문성분의 모식과정에서 발생할 수 있는 문제의 추가적인 개선과 양질의 수문 및 조사자료의 확보는 모형의 정확성과 신뢰성을 향상시키는데 크게 기여할 수 있으리라 사료된다.
more초록/요약
In this study, developed was the integrated surface water and ground water model. As this model can be applied in both dry season and flood season and it can be applied for a long term continuous simulation, it is more useful model than conventional ones. The models which were used for the development of new integrated model are SWAT, which has been applied to various land use centering on the soil water and MODFLOW, which has been widely used for the ground water flow analysis. The combination of SWAT and MODFLOW was conducted in a serially linked manner. SWAT was applied to the subsurface soil layers while MODFLOW was applied to the saturated aquifer zone. As most existing models for analyzing surface water and ground water were focused on either surface water or ground water, not both of them, they have some weak points. For the complete linkage between surface water and ground water, required are the complete connection of hydrologic components in the water circulation including the groundwater recharge, drainage and groundwater discharge in aquifer and evapotranspiration as well as the volume of ground water and the water exchange between streams and aquifer. The combined SWAT-MODFLOW model has the advantages of both models. It has reduced the uncertainty of the conventional models by making the variables of water circulation exchanged depending on the change in circumstances and it has combined the advantages of two models for surface water and ground water into once comprehensive model. Recently distributed or semi-distributed type model was widely used for hydrologic analysis. It can be simulated in various kinds of time intervals depending on the observed data and the purpose of use. SWAT may be used for runoff analysis by time unit using the precipitation data measured by a random interval. However, it has problems because the time data is used for the separation of surface water from infiltrated water volume and the surface water runoff is all discharged within a certain period of time. In this study, to solve the problems related to SWAT, such as runoff analysis by time unit, the application scope of SWAT-MODFLOW was extended so that the recent arrival time equation and SCS triangular unit hydrograph can be utilized for the construction of runoff hydrograph. To understand the characteristics of SWAT-MODFLOW, sensitivity analysis has been conducted on several cases related to the grid size, separation of lateral flow from ground water, separation of surface runoff from infiltrated water, arrival time and hydrograph, and other problems related to the calculation of evapotranspiration for Gyeongancheon watershed. Based on the result of sensitivity analysis, the SWAT-MODFLOW was applied to the Gyeongancheon watershed and Chungju basin. A good simulation result was obtained compared to the actual measured data. It was, therefore, confirmed that the SWAT-MODFLOW which was developed by this study was applicable to not only a daily based long-term runoff but also to the track of hourly based continuous flood routing. As the SWAT-MODFLOW developed in this study simulates all factors such as percolation, lateral flow, groundwater recharge and discharge in daily based manner, each interval of simulation time for hydrological component is different from each other. In addition, as there is one main river in single subbasin and the model takes into consideration of the hydrologic channel routing method only, SWAT has weak points in the simulation of various characteristics of channels in the subbasins and the exchange of water between river and aquifer. The additional enhancement of problems arising from the structural or hydrological simulation process and the acquisition of qualified hydrologic data are the important factors to advance the accuracy and reliability of the model.
more목차
제 1 장 서론 = 1
1.1 연구의 배경 = 1
1.2 연구의 목적 및 필요성 = 2
1.3 연구의 내용 = 3
1.4 연구의 범위 = 5
제 2 장 모형의 선정과 특징 = 7
2.1 장기 강우-유출 모형의 선정 = 8
2.1.1 장기 강우-유출 모형의 선정 기준 = 10
2.1.2 지표수-지하수 연계 = 11
2.1.3 연속모형과 홍수예보 = 15
2.1.4 모형의 선정 = 16
2.2 선정 모형의 특징 = 18
2.2.1 SWAT = 18
2.2.2 MODFLOW = 24
제 3 장 지표수-지하수 연계모형의 개발 = 33
3.1 연계모형의 개요 = 35
3.1.1 SWAT = 35
3.1.2 MODFLOW = 37
3.1.3 SWAT과 MODFLOW의 상호 보완성 = 38
3.2 SWAT과 MODFLOW의 결합 = 39
3.2.1 결합모형 SWAT-MODFLOW의 주프로그램 = 39
3.2.2 SWAT-MODFLOW의 변수 교환 = 42
3.2.3 SWAT-MODFLOW의 입력자료 = 45
3.3 지하수 함양 = 48
3.3.1 SWAT의 대수층 함양 = 48
3.3.2 MODFLOW의 함양 패키지(recharge package) = 49
3.3.3 SWAT-MODFLOW의 함양 = 50
3.4 하천-대수층간 물교환 = 52
3.4.1 SWAT의 지하수 유출 = 52
3.4.2 MODFLOW의 강 패키지(river package) = 53
3.4.3 SWAT-MODFLOW의 하천-대수층간의 물교환 = 56
3.5 대수층에서의 물이동 = 58
3.5.1 SWAT에서의 물이동 = 58
3.5.2 SWAT의 물이동 개선 = 61
3.5.3 MODFLOW의 우물 패키지(well package) = 63
3.5.4 SWAT-MODFLOW의 물이동 = 64
3.6 배수관 = 70
3.6.1 SWAT의 토관배수(till drainage) = 70
3.6.2 MODFLOW의 배수 패키지(drain package) = 71
3.6.3 SWAT-MODFLOW의 배수관 = 72
3.7 대수층에서의 증발산 = 76
3.7.1 SWAT의 대수층 증발산 = 76
3.7.2 MODFLOW의 증발산 패키지(evapotranspiration package) = 77
3.7.3 SWAT-MODFLOW의 증발산 = 78
제 4 장 연계모형의 적용성 확장 = 81
4.1 직접 유출량과 침투량 = 82
4.1.1 SCS 유출곡선법 = 83
4.1.2 Green-Ampt 침투모형 = 86
4.1.3 Green-Ampt 방식의 해석 방법 검토 = 89
4.2 도달시간 = 92
4.2.1 SWAT에서의 도달시간 = 93
4.2.2 이론적 지표면 유출 도달시간 = 96
4.2.3 이론적 도달시간 산정식의 도입 = 101
4.3 유출 수문곡선 = 103
4.3.1 SWAT에서 유출의 지체 = 103
4.3.2 삼각형 수문곡선 = 104
제 5 장 민감도 분석 = 109
5.1 입력자료 구축 = 109
5.1.1 지형자료 = 109
5.1.2 기상 및 수문자료 = 115
5.1.3 지하수계 자료 = 122
5.1.4 SWAT과 MODFLOW 연계 자료 = 124
5.2 매개변수 변화에 따른 민감도 분석 = 128
5.2.1 격자크기 = 129
5.2.2 중간 유출량과 지하수 함양량의 분리 = 132
5.2.3 지표수와 침투량의 분리 = 134
5.2.4 직접유출 수문곡선과 첨두유량 = 137
5.2.5 하도추적 = 143
5.2.6 증발산 패키지 = 145
제 6 장 SWAT-MODFLOW의 적용 = 148
6.1 주요 매개변수의 설정 = 148
6.2 지표수계 유출분석 = 152
6.2.1 연별 물수지 = 152
6.2.2 첨두홍수량 = 159
6.3 지하수계 유출분석 = 163
6.3.1 지하수 함양량과 유출량 = 163
6.3.2 하천-대수층간 물교환 = 165
6.3.3 지하수위 공간분포 = 169
6.3.4 증발산 = 173
제 7 장 결론 및 향후 연구과제 = 175
7.1 요약 및 결론 = 175
7.2 향후 연구과제 = 179
참고 문헌 = 181
Abstract = 193
